1235519 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於可使用含氫之燃 池、與估用认—L ^私之燃料電 树、、 ；4燃料電池之控制、運轉、維持管理蓉夕桃 池之濕度控制裝置及濕度控制方法。 ·“、、 【先前技術】 作為以往之燃料電池，已知有例 電腦等可攜式機器使2 個人 以处杳从去f 优用以虱作為燃料， 二及作為乳化劑之小型之固體 搭#用物：ιι + 丁主愿抖電池之機器 :載用燃枓電池裝置(曰本特開平 頁、圖19))。 知a報（弟3〜4 此日本特開平9_213359號公 置之牯；w Λ〜伶戰用燃枓電池裝 體、财μ具有：由利用氫與空氣發電之燃料電池本 懈:=此燃料電池本體之氯儲存鋼瓶、可裝卸此 ;储存鋼瓶之手段、供應空氣用之手段 之構成、對供應至上述燃料電 ：：成水 也丨政+ 乂 々版 < 風加濕之手段、控 ⑽作之控制部、一體地收容此 之吸排氣口及電性結合機器之端子部之箱 =工乱 料電池裝置’可利職卸 # Ί原糸統’執行以往之電池所未有之長 可藉燃料之補給而可重複利用。 w 又，作為以往之燃料電池，例如， 號公報(第…、圖⑽載之燃料電:=: 公報中，記載著有關燃料電:及=: 88486.doc 1235519 之水蒸氣透過膜之資料。 此日本_ 20()2_U)()384號公報所載m也係具有 施行電池反應之電池部、對供應至電池部之原料氣體加濕 之加濕部，前述電池部具有由固體高分子電解質膜與配置 於其兩側之電極所構成之電池單元，前述加濕部由導入原 料氣體之原料氣體用流路、導爽 ^ v入木自電池部之排出氣體之 排出氣體用流路、及分離此等流路之水蒸氣透過膜所構 成使排出孔體所含之水蒸氣透過水蒸氣透過膜而由排出 氣體用流路進入原料氣體用流路内，使此水蒸氣與原料氣 體用流路内之原料氣體接觸，以加濕原料氣體，在如此構 成燃料電池中，其特徵在於前述水蒸氣透過膜係由以交聯 劑交聯含有70重量％以卜& @^一甘 〜m 里以上而具有羥基之金屬鹽作為官能團 之重複單位之水溶性高分子之物質所構成。 另外’作為以往之燃料電池，例如，也有日本特開雇_ 1 17878號公報(第4〜5頁、圖。所載之燃料電池。在此曰本特 開2002-117878號公報中，記載著有關燃料電池及適合使用 於加濕供應至燃料電池之原料氣體之水蒸氣透過膜之資 料。 此日本特開2002_!} 7878號公報所記载之燃料電池係且 有施行電池反應之電池部、對供應至電池部之原料氣體加 濕之加濕部’前述電池部具有由固體高分子電解質膜與配 置於其兩側之電極所構成之電池單元，前述加濕部由導入 原料氣體之原料氣體用流路、導入來自電池部之排出氣體 之排出氣體用流路及分龅昝笙、、六放> , 吟汉刀離此寺肌路之水蒸氣透過膜所構 88486.doc 1235519 ，使排出氣體所含之水蒸氣透過水蒸氣透過膜而由排出 髀:路進入原料氣體用流路内’使此水蒸氣與原料氣 路内之原料氣體接觸，以加濕原料氣體，在如此構 =電池中，其特徵在於前述水蒸氣透過膜係在高分子 孔膜之表面設有由硬化之全氣續㈣離子交換樹月旨 構成之透濕性樹脂層。 電、ΐ。’ ^案申請人曾開發過例如如圖24所示之構成之燃料 〆i24所示之燃料電池係利用供應燃料氣體至發 #而產生電力之袭置，由4個發 ^ 4個發電單元卜4俜 4所構成。 方十“ 串如連接於作為燃料之氳之供應路之 式:構成。4個發電單元Η具有同一構成，兹 早兀4為例說明其構成如下·· 罨 配係由載持觸媒之質子傳導體膜電極接合體5、 Ζ!子傳導體膜電極接合體5之-面側之氧化劑電 之6及配置於質子傳導體膜電極接合體5之他面側 Γ離117所構成°而’在許傳導體膜電極接 口體5與各分離器6、7之間公則入 < 命』 妖 成-體而構成發電單元… 9’將此等緊定 入氧、” 電極側分離器6設有取 側分離：7V二：化劑供應口 6 a。又，在燃料藏 =…可使燃料之氮流通之多數流路或燃料室。 /據具有此種構成之燃料電池，可利用例如 :”··燃料之氫被供應至燃料電極側分離器 :/ ::被供應至氧化劑電極側分離器6。燃料之氫氣：)二 1 ’氫氣㈣與質子傳導體膜電極接合體5之觸媒接觸^ 88486.doc 1235519 迸出電子（ο，產生質子（Η、％— 2H+ + 2〇。此質子（h+、 在高分子電解質膜中傳導而向相反側移動。在該相反側，> 被送來之空氣中之氧藉觸媒之力，與質子（H+)及做完功後 返回之電子（e)起反應而產生水⑴2+4H++4e-—2H2〇)。 藉此化學反應，分別在質子傳導體膜電極接合體5之氧化 劑電極側分離器6側產生水。當此水覆蓋質子傳導體膜電極 接合體5之觸媒及氣體擴散層時，發電所需之充分量之氧即 因水之覆蓋或高水蒸氣分壓而無法再進入其中，因此，無 法藉持續供應氫與氧而繼續發電，故產生之前述水有排出 於外部之必要。 另一方面，在固體高分子型燃料電池（pEFC)中，因質子 傳導膜之質子傳導物質為水（以下稱「輸送水」），故在無輸 送水之乾燥狀態下，質子無法移動。因此，在質子傳導膜 中必須施行適切之水分管理。另外，pEFC之質子傳導膜雖 係使在陰極側生成水向陽極側反擴散，但因條件之因素， 也會使陽極側呈現水分過多之狀態，故與陰極側同樣地， 陽極側之水分管理也相當重要。 又，圖24所示之符號10a、l〇b、10c、l〇d及10e係表示由 第1發電單元1供應而由第4發電單元4排出之氫流量。符號 l〇a表不所供應之氫流量為1〇〇%之狀態，符號表示除去 第1毛私單疋丨所消耗之氫量後之氫流量。另外，符號丨表 不除去第2發電單元2所消耗之氫量後之氫流量，符號i〇d同 木八表不除去第3發電單元3所消耗之氫量後之氫流量，符號 表不除去第4發電單元4所消耗之氫量後之氫流量，必要 88486.doc 1235519 為缺氫之狀態。最後，當氫流量為〇%，觸媒及氣體擴散層 因水結成露或水蒸氣之擴散不良導致完全無氫之供應時， 質子完全無法與氧接觸而不能發電。另一方面，在燃料氣 體之上流側，因水或水蒸氣皆無，故傳導質子所需之輪送 水不足’因此，會發生發電不理想之狀態之情形。 本發明係鑒於此種以往之問題所研發而成，其目的在於 提供可藉由燃料氣體除去多餘水分，或調整水分以施行加 濕或除濕，將燃料電池内部之濕度經常維持於一定之適正σ 狀態之氫氣濕度控制裝置、使用該氫氣濕度控制裝置之燃 料電池、氫氣濕度控制方法及燃料電池之濕度控制方法。“、、 【發明内容】 / 為解決上述之問題，達成上述目的，本㈣請專利範圍 弟上項之氫氣濕度控制農置之特徵在於包含至少被供應氫 ㈣一氫流路或氫室、至少被供應氫氣之第二氫流路或 風至、分離第-氫流路或氫室與第二氫流路或氫室，並使 水及/或水蒸氣流通之水分輸送體。 本案申讀專利範圍第2項之氫氣濕度控制裂置之特徵在 於氫氣係藉燃料改性所產生之氫氣。 本案申請專利範圍第3項之氫氣濕度 於包含至少被供應氫氣之笛…“置之特被在 見氣之第，… 虱路或氫室、至少被供應 51乱之弟一虱 路或氫室、 一 氳流路或氫室之質子傳導體。 或虱室與第二 本案申請專利範圍第4項之氫氣濕 於質子傳導體係在面卜七h 』在置之特敛在 弟—氫流路或氫室之面與面臨第二 88486.doc -12- 1235519 氯流路或氫室之面之至少一方配置觸媒。 本：申：專利範圍第5項之氫氣濕度控制裝置之特徵在 」在第1机路或氫室設置第一電壓施加用電極，並在第 二氯流路或氫室設置第二電壓施加用電極，將質子傳導體 夾持於第-電摩施加用電極與第二電壓施加用電極之間。 本案申請專利範圍第6項之氫氣濕度控㈣置之特徵在 於將電壓施加於第一電壓施加用電極與第二電壓施加用電 極之間。 ％ 本案申請專利範圍第7項之氫氣濕度控制裝置之特徵在 於觸媒係含有翻。 本案申請專利範圍第8項之氫氣濕度控制裝置之特徵在 於氫氣係藉燃料改性所產生之氫氣。 本案申請專利範圍第9項之燃料電池之特徵在於包含· i 或個以上之電池單凡，其係包含被供應燃料之燃料電極 側分離器、被供應氧化劑之氧化劑電極側分離器、夹持於 燃料電極側分離器與氧化劑電極側分離器間之質子傳導體 膜電極接合體者；Μ個或2個以上之氫氣濕度控制震置，且 其係裝人於被供應燃料之氫流路及/或氫室者；氫氣濕度控 制裝置係包含第-支持板、第二支持板、及夾持於第一支 持板與第二支持板之間之水分輸送體；氫與水及/或水基氣 之混合氣體接觸於第-支持板，且至少氫接觸於第二支持 板。 又’本案中請專利範圍㈣項之燃料電池之特徵在於包 3 1们或2個以上之電池單元，其係包含被供應燃料之燃 88486.doc -13- 1235519 料電極側分離器、被供 爽持於辫料泰钰 /〜羊別之氧化劑電極側分離器、 Λ、，、行电極側分離哭盥 傳導體瞑電極接合體二 电極側分離器間之質子 裝置，其俜妒入於_ 1個或2個以上之氫氣濕度控制 ^ 被供應燃料之氫流路及/或氣室者.气友 濕度控制裝置係包含第一電極 U至者，風乳 之 電極與第二電極之間一^、及夹持於第— 混合氣體接觸於m ^體’心水及/或水蒸氣 又士电 至少氲接觸於第二電極。 徵在二T利範圍第11項之氯氣濕度控制方法之特 文在=弟-電極與第二電極夹持質子傳導體，藉 知加至第一電極盥笫—带 ^ 枚卜 /、 一私冬之間，以施行在接觸於第一電 °之風與接觸於第二電極之氫之間之水分之輸送。 、康上所述之構成，在本案申請專利範圍第工項之氯氣 长、，控制衣置中’由於利用水分輸送體分離第一氯流路或 風室與第二氫流路或氫室，故在2個氫流路或氫室内之水及 ^水蒸氣之比率相異日寺，可經由水分輸送體將水及/或水蒸 氣由其比率較高之-方輸送至較低之一方，藉以控制氫濕 度’使2個氫流路或氫室間之水及/或水蒸氣之比率相同。 在本案申明專利範圍第2項之氫氣濕度控制裝置中，氫氣 係藉燃料改性所產生之氫氣，由於藉燃料改性等所產生之 氫氣含有較多水分，可獲得較容易避免水分不足之狀況之 理想效果。 在本案申請專利範圍第3項之氫氣濕度控制裝置中，由於 利用質子傳導體分離第一氫流路或氫室與第二氫流路或氫 室，故在2個氫流路或氫室内之水及/或水蒸氣之比率相異 88486.doc -14- 1235519 可、、二由貝子傳導體將水及/或水蒸氣由其比率較高之一 方輸达至較低之一方，或由較低之一方輸送至較高之一 、又即使在其比率相同時，也可經由質子傳導體將水 及/或水蒸氣由一方輸送至他方。藉此可控制氫濕度，使2 個虱流路或氫室間之水及/或水蒸氣之比率相同或設定於 任意之比率。 本案申明專利範圍第4項之氫氣濕度控制裝置中，由於 在質:傳導體面臨第-氫流路或氫室之面與面臨第二氯流 路或氫室之面之至少一方配置觸媒，故可藉該觸媒將氯分 離成質子，且將質子轉換成氫。 2本案申請專利範圍第5項之氫氣濕度控制裝置中，由於 在第一氫流路或氫室設置第一電壓施加用電極，並在第二 氫流路或氫室設置第二電㈣力^電極，㈣子傳導體: 持於此等電極之間’故可利用此等構件構成質子泵，以施 行氫氣之濕度控制。因此，可使用作為將氫流路或氫室内 =氫濕度保持於最適狀態用之加濕.除濕裝置、濕度感測 器、減壓調整器、升壓壓縮機、流量控制器等。 在本案申請專利範圍第6項之氫氣濕度控制裝置中，可夢 將電壓施加於第一電壓施加用電極與第二電壓施加用電= 之間，經由質子傳導體使質子由 之側移動。 “之側向電磨較低 在本案申請專利範圍第7項之氫氣濕度控制裝置中，由於 使用翻作為觸媒，故可藉該觸媒有效地將氫分離 ， 或將質子轉換成氯。 、 88486.doc -15- 1235519 j本案中請專利範圍第8項之氫氣濕度控制裝置中，氯氣 係藉燃料改性戶斤吝+ _々 卜 生之虱軋，由於藉燃料改性等所產生之 虱氣含有較多水分，可獲得較容易避免水分不足之狀況之 理想效果。 在本案申請專利範圍第9項之燃料電池中，由於在包含燃 1+電極側分離器、氧化劑電極側分離器、與質子傳導體膜 :極接合體之i個或2個以上之電池單元、及氫氣濕度控制 :置之燃料電池中，於氫氣濕度控制裝置之第一支持板與 支持板之間夾持水分輸送體，使氫與水及/或水甚氣之 混合氣體接觸於第-支持板，且使至少氫接觸於第二支持 板二故在被供應燃料之氫流路或氫室内之氫濕度較高時， /可猎水分輸送體將多餘之水及/或水蒸氣傳導至較低側以 仃除濕，且在該氫流路或氫室内之氫濕度較低時，可藉水 分輸送體由較高側傳導以行加濕，以便有效地繼續施行發 電動作。 又，在本案申請專利範圍第10項之燃料電池中，由於在 包含燃料電極側分離器、氧化劑電極側分離器、與質子傳 導體膜電極接合體之1個或2個以上之電池單元、及氫氣濕 度挂制裝置之燃料電池中，於氫氣濕度控制裝置之第一電 極^第:電極之間夾持質子傳導體，使氫與水及/或水蒸氣 之混合氣體接觸於第一電極，且使至少氫接觸於第二電 極’《電壓施加至兩電極間日夺，可使水及/或水蒸氣由電 壓較高側移動至較低側，藉控制其電壓之施加方向，調整2 個氫流路或氫室之氫濕度，有效地繼續施行發電動作。' 88486.doc -16- 1235519 依據本案申請專利霸# ^ , Λ ^ v^ a圍弟11項之氫氣濕度控制方 凌，由於以第一電極與第二+ 壓施加至第-電極與第二=極夹持質子傳導體，藉將電 電池之燃料極而接觸於第：間’以^丁在供應至燃料 二/之虱之濕度且接觸於第二電極之氯之間之水分之 輸迗’故可使水及/或水墓 …孔由電壓較高側移動至較低側， 户工右八电^之把加方向’調整2個氫流路或氫室之氫濕 X ’有夕文地繼續施行在燃料電池之發電動作。 含另二：解決上述問題’本案之燃料電池之特徵在於包 2電早mx燃料極與氧極夹持電解質者 ::二:形成將氧供應至前述氧極用之氧流路者； 用：貝’刀離為’其係形成將燃料氣體供應至前述燃料極 述燃料^ 刀1^體其係被配置成接觸於前 出Ί ’且接觸於具有異於前述燃料氣體之濕度之排 乳體，以施行前述燃料氣體與前述排出氣 之輸送者。 刀 斤错水分輪送體接觸於燃料氣體與排出氣體，施行在燃料 :體與排出氣體之間之水分輸送，在燃料氣體之濕度高於 ^出氣體時，施行由燃料氣體侧對排出氣體側之水分之移 動；在燃料氣體之濕度低於排出氣體時，施行由排出氣= 側：：料氣體側之水分之移動。因此，即使因在燃料電池 1弘所生成水分，而呈現不適合於發電單元之發電之濕 、狀心盼，也可藉重複施行在排出氣體與燃料氣體間之水 分輪送，將燃料電池内部之濕度經常維持於一定之適正狀 88486.doc -17- !235519 態。 又’燃料電池也可包含流通排出氣體之排出流路，排出 乳體也可包含氧，且被供應至燃料電池之氧極側。燃料電 ^包含流通排出氣體之排出流路時，可藉將空氣作 =由M電池之外送人排出流路等，使排出氣體有效地 觸於=分輸送體，容易地將燃料電池内部之濕度維持於 =狀悲。排出氣體包含氧’且被供應至燃料電池之氧極 則時，由於可利用排出氣體使燃料電池施行發電，故可有 效地利用排出氣體施行發電。 又，使水分輸送體含有全氟續酸系聚合物時，可 分輸送體確實且容易地輸送水分。 1為解決上述問題，本案之燃料電池濕度控制方法之 特敌係在於將水分輸送體設成接觸於供應至燃料電池之燃 料極側之燃料氣體，以前述水分輸送體隔開具有異於前述 燃料氣體之濕度之排出氣體及前述燃料氣體，利用前述水 分輸达體在前述燃料氣體與前述排出氣體之間施行水分之 輸送。 【實施方式】 以下’參照附圖說明本發明之實施形態。圖係表 不一本發明之實施例。即’圖1係表示本發明之燃料電池之第 1貫施例之概略構成之說明圖’圖2係表示ρ實施例之發電 單元之裝配狀態之概略構成之說明圖，圖3係表示約實施 例之發電單元之配管構成m之說明圖，圖4#、表干本 發明之燃料電池之第2實施例之概略構成之說明圖，圖:系 88486.doc -18- 1235519 表不本發明之燃料電池之第3實施例之概略構成之說明 圖，圖6係表不本發明之燃料電池之原理說明圖，圖7係圖6 之詳細構成之一例之說明圖，圖8係表示圖7之詳細構成之 另一例之說明圖，圖1〇Α、圖1〇B、圖UA、圖UB、圖U、 圖 13A、圖 13B、圖 14A、圖 14B、圖 15A、圖 15β、圖 16八、 圖16B係分別說明發電單元與質子泵之關係之說明圖，圖 17A、圖17B係說明氫濕度與氫流路之關係之曲線圖。 圖18係表示使用本發明之濕度控制方法之燃料電池之原 理況明圖，圖19係表示使用本發明之濕度控制方法之燃料 電池之概略構成之說明圖，圖2〇係表示圖19所示之〜形例 之說明圖。 ’ 乂 圖21係表示本發明之燃料電池輸出特性中，單元電壓（v) 與時間（sec)之關係之曲線圖，圖22係同樣表示單元電壓 (V)、時間（sec)與電阻（〇)之關係之曲線圖，圖23係同樣表 不單元電壓（V)與時間（sec)之關係之曲線圖。 本發明之燃料電池係在陽極（an〇de)將氫（出）分解成質子 (2H’與電子(2〇，並取出此時產生之電子作為電。此際， 在陰極（Cath〇de)，氧（〇2)與在電解質膜移動之質子及通過外 邛包路到達之電子會耦合而產生作為副產物之水。 燃料電池所使用之質子傳導體為使質子移動而需要水， 故而積極地活用此生成水，使其擴散於質子傳導體内，以 &南質子之傳導率。另一方面’生成水在質子傳導體内過 剩時，生成水會妨礙氧之移動，其結果，會阻礙燃料電池 之發電。且通過質子傳導體而向氫（陽極）侧擴散之生成水有 S8486.doc -19- 1235519 時^可能妨礙氫之移動。因此，為使燃料電池連續地施行 %疋之發電動作’將質子傳導體内之水分經常保持於一定 之範圍相當重要。 雕又，氫氣濕度控制裝置為控制燃料電池所使用之燃料氣 版（尤其疋氫）之溫度，需使用介著水分而使質子移動之質子 泵。質子泵之目的在於經由質子使氯移動，並使附帶之氯 尺刀和動其移動對象物為氫與水分。在此質子泵中傳 導之氫與水分之移動量可利用例如改變施加於設在質子傳. 導體膜電極接合體兩面之電極間之電壓或電流之大小之方鲁 式加以調整〇丨 女圖1所不，作為本發明之氫氣濕度控制裝置之第1實施. 例所示之質子泵係被組褒於氫流路串聯連接之4個發電單， 16、17及18中位於最下流之第四發電單元以而構成 · 為一體。 π其中，第一發電單元15、第二發電單元16、及第三發電 單疋17之3個务電單凡具有與以往例所示之圖μ之發電單 元4同樣之構成。即，第一〜第三發電單以⑺均係由上下# 兩面載持觸媒之質子傳導體膜電極接合體5、配置於此質子 傳導體膜電極接合艚5 > — π ρ ^ 面側之氧化劑電極側分離器6、 配置於質子傳導體膜電極接合體5之他面侧之燃料電極側- 分離器7、及分別介設為暂工 貝子傳導體膜電極接合體5與各分 離器6、7之間之電極8、9所構成。 另一方面，第四發電單元18具有與圖24所示之發電單元4 同樣之構成之發電部19。私 除该舍電部19外，並將作為氫氣 88486.doc -20- 1235519 濕度控制裝置之質子傳導體20組裝於燃料電極側分離器 24。利用將發電部19與質子傳導體2〇之組合構成一體，以 構成第四發電單元18。利用以串聯連接供應氫之氫流路方 式使包含此第四發電單元18之發電單元15〜18一體化，構成 4個發電單元15〜18組合而成之燃料電池14。 此燃料電池14之第四發電單元18之發電部19與第一〜第 二發電單元15〜17之構成因相同於上述發電單元2〜4之構 成，故在此以發電部19為代表，簡單地說明其構成及發電 反應。 發電單το 15〜18之發電部19係具有配置於中央之質子傳 導體膜電極接合體22、配置於此質子傳導體膜電極接合體 22之一面側之氧化劑電極側分離器23、配置於質子傳導體 膜電極接合體22之他面侧之燃料電極側分離器24、及2片集 電板電極25、26。 ’、
質子傳導體膜電極接合體2 2係呈現配置於中央之質子傳 導體膜、與設於此質子傳導體膜之兩面之第—及第二觸媒 之二層構造。質子傳導體膜係在常溫呈現高的質子(矿)傳 導性之高分子膜，例如可使用全氟續_ I 樹脂系）等。又，作為第-及第二觸媒，可使㈣如^ 釕或使鉑等載持於碳粉之觸媒、或其他觸媒。 在質子傳導體膜電極接合體22之第一觸媒側配置燃料側 之集電板電極25，纟質子傳導體膜電極接合體。之第二觸 媒側配置氧化劑側之集電板電極26。將如此構成三層構造 之集電板電極25、質子傳導體膜電極接合體22及集電板電 88486.doc -21 - 1235519 :二6 ’由其兩面以氧化劑電極側分離器23與燃料電極側分 肖隹為24加以夾持而構成發電部19。 氧化劑電極側分離器23例如係由薄平板狀之構件所構 、’其中央部設有由一方之面貫通至他方之面之取入氧、 空氣等氧化劑用之氧取入口27。x，在氧化劑電極側分離 為23與質^傳導體膜電極接合體22之間，同樣配置具有氧 取入口之氧化劑側之集電板電極26。由氧取入口 27取入大 乳中之氧，經由集電板電極26將該氧供應至質子傳導體膜 電極接合體22之第二觸媒。 、 又’燃料電極側分離器24也同樣由薄平板狀之構件所構 成，其侧面設有可供應作為燃料之一具體例之氯之辦料供 應口。在此燃料電極側分離器24之兩面設有使氫與電極接 觸用之氫接觸部。此氫接觸部與燃料供應口連通，可芦由 内部通路將由燃料供應口所供應之氫放出至設於燃料；極 側分離器24之兩面之氫接觸部。故可由氫接觸部將氯供應 至配置在燃料電極側分離器24與質子傳導體膜電極接合體 22之間之燃料側之集電板電極25，並由氫接觸部將氫供應 至質子傳導體20側。 ^ 燃料電極側分離器24兼作為質子傳導體20之-方分離器 之第一分離器。又，由第一發電單元15至第三發電單元Η 僅由發電部所構成’並無質子泵，故在此等之燃料電極側 分& 24中’僅在其—面設有氫接觸部，而呈現燃料氣體 不會漏至他面之構造。 依據具有此種構成之燃料電池可利用例如下列方式施行 88486.doc -22- 1235519 發電：燃料之氫氣被供應至燃料電極側分離器24，氧化劑 之空氣被供應至氧化劑電極側分離器23。燃料之氯氣⑽ 被达來時，氫氣（h2)舆質子傳導體膜電極接合體22之觸媒 接觸而迸出電子（〇，產生質子（η+)(Η2— 2Η++Μ。此質子 (H+)在質子傳導㈣巾料而向相反側料。在該相反 側，被达來之空氣中之氧藉觸媒之力，與質子（H+)及做完 功後返回之電子（〇起反應而產生水（〇2+4H++4e_— 2乐〇)。 其次，說明質子傳導體2〇之構成與動作。質子傳導體之 雖僅在於移動質子（H+)，但為了移動質子（約，基本上係以 OH-H之形態保有水（H2〇) ’並以該·η為基礎而移動質子 ()口此貝子傳導體貫際上不僅可傳導質子，同時也 σ，ϋ ” $用此貝子傳導體之透水性，不必使用果裝 ’即可排出燃料電池内部之過剩水分於外 邛或靶仃水分之流動方向、水分之流量及其他水分之控 制。 即使用第>分離器24所構成之質子傳導體2〇除了第一分離 ^外也具備有第二分離器28、夾持於兩分離器24、28 間之質子傳導體膜電極接合體29、及2片施加電極30、31。 第刀離為28與第一分離器24同樣用於流通氯氣，連接著 回流配管33之-端。構成可使到達此第二分離㈣之氫氣 (Η,)經由回流配管3 3而回流到上流側之發電單元（在本實施 例中，為第一發電單元15)。 、、子傳^r體膜電極接合體29可採用與發電部19之質子傳 V月豆膜包極接合體22同樣之構成。在本實施例中質子傳導 88486.doc -23- 1235519 月果包極接合體29¼用與質子傳導體膜電極接合體22同樣 之構成係、王現配置於中央之質子傳導體膜、與設於此質 f傳導體膜之兩面之第—及第二_之三層構造。而，在 第-觸媒配置第一施加電極3〇，在第二觸媒配置第二施加 電極3 1。 。將如此構成二層構造之第—施加電極Μ、質子傳導體膜 甩極:妾合體29及第二施加電極31，由其兩面以第一分離器 2績第二分離器28加以夾持而構成質子傳導體2G。在第-知加電極30與第二施加電極31連接泵側電路48，可變更第 /加電極3G與第二施加電極叩之電位差。如後所述， 質子傳導體20可藉泵側電路48在第一施加電極川與第二施 雕包極3 1間產生之電位差，由第一分離器μ經由質子傳導 一 第苑加電極3〇、質子傳導體膜電極接合體29及第 2施加電極31，肖第二分離器28輸送氫及水分。且也可由 第=分離器28側向第一分離器24側輸送氫及水分。 :施加電極30與第二施加電極3 1係在可藉泵側電路48 又^八正極（+極）及負極（_極）之狀態（電壓之施加方向可變 狀〜）下互相電性連接。此情形例如施加電壓使第一施加電 極％之包廢㊅於第二施加電極”之電壓時，氫㈣會與第 一氣體擴散層之觸媒接觸而迸出電子间，同時 、
因屬於正離又 ， 1 J 、 ，故會被吸向負側，並移動而透過質子傳導 體膜電極接合體29。 、 + 2時，由第—分離器24所供應之氫（¾)為含有通過3個發 〇〇 〗7後之反擴散水所產生之水分之濕氫，可藉其本 88486.doc -24- 1235519 身含有之水分確保傳導質子傳導體膜電極接合體29之際之 輸送水之機能。因此，位於第一施加電極3〇側之質子（H+) 會被水（AO)輸送而透過質子傳導體膜電極接合體29，容易 地移動至第二施加電極3 1側。而，移動至第二施加電極3工 側之質子（Η+)會與電子（e-)起反應而成為氫（H2)(2H++2e_— H2)。其後，含有多量水分之濕氫（HO由第二分離器28流至 回流配管3 3。其結果，可降低供應至發電部丨9之氫之水分， 藉此’可使以濕的狀態供應至發電部19之氫呈現適合於發 電之濕度。 反之，施加電壓使第二施加電極3丨之電壓高於第一施加 電極30之電壓時，位於第二施加電極3丨側之質子（Η+)被輸 送水（HA)輸送而透過質子傳導體膜電極接合體29，容易地 私動至第一施加電極3 0。移動至第一施加電極3 〇側之質子 (Η )會與電子（e·)起反應而成為氫（112)(211++2^^2)。此氫 經由第一分離器24供應至發電部19時，即可作為燃料之氫 而使用於發電。 如此，第二分離器28側有多量之水分，連通於發電部19 之第一分離器24側之氫乾燥時，可使含多量之水分之氫（Η。 經由質子傳導體膜電極接合體29返回第一分離器24側，其 結果，可提高供應至發電部19之氫之水分，藉此，可使以 乾的狀悲供應至發電部19之氫呈現適合於發電之濕專^。 如此，利用泵側電路48改變質子傳導體2〇之第一施加電 極30及第二施加電極3丨間之電壓之施加方向時，可調整質 子傳導體20向正方向與反方向移動之比率，決定混合後之 88486.doc -25 - 1235519 虱之濕度。即，可利用赛高透過質子傳導體20而由第一施 加電極30移動至第二施加電極31之氫之水分量，或相反 地’提高由第二施加電極3丨移動至第一施加電極3〇之氫之 水分量，自由地調整其水分量。 此日T 由於貝子傳導體20僅設置於第四發電單元1 §，故 可僅集中地對第四發電單元丨8之發電部丨9加濕或除濕。更 由於連通於該質子傳導體2〇之第二分離器28連接著回流配 吕33，故質子傳導體2〇之氫濕度也會受到來自回流配管μ 之氫及水分之逆流之影響。 在一端連接於第二分離器28之燃料排出口之回流配管33 内，設有可儲存由質子傳導體20之第二分離器28排出之濕 氫或水分之水分儲存器（貯藏器）34。此水分儲存器34也可設 在第二分離器28内或其附近。在水分儲存㈣設有泄水配 管35,在泄水配f35之開口側安裝有開關閥％。此水分儲 存器34具有可使内部產生之結露水滴與氫分離之機能，可 利用開放開關閥36而將結露水滴集合而成之水排出至大氣 中。水分被此水分儲存器34適當地除去後之氫回流至第一 發電單元15之有燃料供應口之燃料電極側分離器％。 依據上述質子傳導體2〇，氫與水均可予以果沒，兹說明 該情形所需之能量。對氫u個原子（1/2. η2)，其質子奶 為！個，此時之電子⑹為lxl.6xl〇-19[c]，輸送氯用之輸送 水(同伴水)一般需要1〜2.5個’在此，以該情形予以假定時， 由於氫1分子（HO之情形為丨原子時之2倍，故質子旧巧為^ 個，電子（〇為Sx^xlO-Ac]，輸送水為2〜5個。 88486.doc -26- 1235519 將此換算成氫1[111〇1]時，質子（H+)為2χ6 〇2χ1〇23個，電子 〇 Α2χ1·6χ1〇_19χ6·〇2χ1〇23[(：] ’ 輸送水為 2〜5[mol]。將此 換算成輸送水之l[m〇l]時，電子（e·)為2xl6xl(rl9x6〇2xl〇23 xl/2 〜1/5[C]，質子（H+)為 2χ6·02χ 1 023χ1/2 〜1/5 個，氫為 ιχ 1/2〜l/5[m〇l] 〇 在此，假δ又母秒之風買為i〇-6[m〇i/s](=i Μ cc/s)時，所得 之電子量為0·193[Α]，此時之輸送水為5xl〇-6[m〇1/s]。在發 電單元18中，獲得1[A]之電流所需之氫量為7[cc/min]，此 時可產生5.19xl(T6[m〇l/s]之生成水。因此，即使在例如假 定處於全部之生成水均反擴散之最惡劣之狀態之情形時， 質子傳導體20仍可用極低之電壓，以發電電流之1/2〜1/5之 電流’使全部之生成水循環作為質子之輸送水，以取出濕 度。 一般’電流為5[A]時，若電壓為〇·6〜〇·7[V]，則1個發電 單元之發電量[W]為3·0〜3.5W(例如〇.6[V]x5[A]=3[W])。 對此’假設電流為5[A]，電壓為50[mV]時，質子傳導體 20之動作所需之電力量（耗電力）為〇 25[w](5〇[mv]x5[A] = 0.25[W])。因此，假設在發電單元有35[cc/min]之氫消耗量， 且貝子傳導體20在施行35[cc/min]之氫循環之狀態下運轉 時’對發電單元之質子泵之效率為：效率 与12倍。 又’假設發電單元以35 [cc/min]運轉，其中由回流配管33 回流14[CC/min]，且質子傳導體2〇之驅動電流為2[A]，電壓 為 20[mV]時，此時之耗電力為 0.04[W](0.02[V] X 2[A] = 88486.doc -27- 1235519 之氫流篁52為100 cc/min，在第二發電單元i6之氮流量53 為75 CC/min，在第三發電單元17之氫流量54為50cc/min， 在第四發電單元18之氫流量55為25 cc/min，此等值可視為 妥當之理想值。 在此種環境狀態下，第一〜第三發電單元15〜17及第四發 電早7018之發電部19例如以下列方式進行發電。即，燃料 之氫被供應至燃料電極側分離器7或24，同時氧化劑之空氣 由大氣中被供應至氧化劑電極側分離器6或23。其結果，燃 料之氫氣（¾)與貝子傳導體膜電極接合體5或^之第一觸 媒接觸而迸出電子（e·)，產生質子（η+)(Η2— 2Η + + 2^。 此貝子（Η )牙過質子傳導體膜電極接合體5或22之質子 傳導體膜而向相反侧之第二觸媒移動。在該第二觸媒，被 运來之空氣中之氧藉觸媒之力，肖質子（矿)及做完功後返 回之電子（e )起反應而產生水（〇2+4H++4e·— 2H2〇h 藉此化學反應，在質子傳導體膜電極接合體5或22之氧化 劑電極側分離器6或23側幾乎都會產生水。此種水及反擴散 水之擴散過程雖同樣地在4個發電單元15〜181?^行，但與 反擴散至供應至上流側之發電單元之氫之水分量相比，供 應至下流側之發電單元之氫之水分量較大。此係由於隨著 風向下流之移動’反擴散水也會向下沖，然後在第四發電 單元18依次蓄積成積水之故。因&，需由質子傳導體排 出在第四發電單元18之發電部19所產生且含有多量水分之 氫’使其回到回流配管33。 此時，在質子傳導體20之泵側電路48，施加電壓使第— 88486.doc -29- 1235519 ^加電極30之電位高於第二施加電極31之電位，其結果， =第-分離器24所供應之氫（h2)會與第—觸媒接觸而迸出 书子（e ) ’同時，質子（H+)會由第—觸媒在質子傳導體膜中 傳導而向第二觸媒移動。 、 此時，由第一分離器24所供應之氯（H2)為含有通過上心 個=電單元15〜17之際吸收水分而增高濕度後之濕氫，其本 =含有充分之水分。因此，在此氫（h2)中確保有使其本身 二動所：之輸达水之機能。因此，位於第一觸媒所產生之 貝子(H+)會在質子傳導體膜中傳導，而容易地移動至第二 觸媒。 另外，移動至第二觸媒之質子（H+)會與電子 成為氫（Η2)Γ2Η+4^ - u汉應而 (2)(2H+2e—Η2)。藉此產生含有多量水分之气 (Η2)。其後，含右容旦卜八 八刀之虱 ,, 3有夕里水分之濕氫由第二分離器28被送回 至回流配管3 3。、主门π ^ ^ 被达回至回流配管33之濕氫暫時被儲存 水分儲存器34，-邱八^八… 才饭储存於 之部分成為水八、^_: 分高而結露成水滴，剩餘 成為水分被除去而具有適度之濕度之氫。 =有：度之濕度之氫回到第一發電單元。而與新 風此3 ’再度供私雷 ^ 。、、坐由此種循環之連續進扞， 利用燃料電池14施 、丁可 仃運，之發電動作，並由下流側之發+ 早7018排出含有充 甩 有充刀水刀之虱，確保發電動作之執行。 在此所述之燃料電池之 聯連接之情形，但在單―μ屬於在將^數發電單元串 單开巾a X電早70中也相同。即在1個發電 早-中；也同樣適用於氫氣之上流部與下流部。 圏2係表不圖1所示之第四發電單元18之原理確認用之裝 88486.doc -30- 1235519 置，表不該發電單元之組裝狀態及其配管構造等之概略構 成。燃料電極側分離器（第一分離器）24連接氫流路4〇，在該 虱流路40設有檢出所供應之氫壓力之壓力計41。供應至此 氫抓路40之氳為不含水分或含水分少之所謂乾氳'。又，大 氣中之空氣由氧取入口 27被供應至氧化劑電極側分離器 23。 @ 另外’一端連接於第二分離器28之回流配管33之他端連 接於氫流路40之壓力計41之下流側。/在此回流配管％，由 接近於第二分離器28之順序配設溫度計43、壓力計44、流 量計45與止回閥46/溫度計43係用於側定由第二分離器 回到氫流路40之氫之溫度。又，壓力計44係用於測定回流 配管33内之壓力，即由第二分離器28回到氲流路4〇之氫之 壓力。 又，流量計45係用於測定流通於回流配管33内之氫之流 量。而，止回閥46則係用於防止氫由氫流路4〇向回流配管 33流入。通常，回流配管33内之氫之壓力相同或高於氫流 路40内之氫之壓力，故可構成使其混合於氫流路扣内之乾 氫而再循環。 又，屢力計41溫度計43、壓力計44、流量計牦及止回閥 46畢竟為確認質子泵之原理所需之構件。而，此等壓力計 41等之配置、排列並不限定於本實施例所記載之配置、排 列。另外’在貫用作為元件裝置之際，壓力計4 1等可依戶召 需要予以使用，不需要時，可分別予以省略。 在此發電單元18之發電部19形成有發電側電路47。在此 88486.doc -31 - 1235519 ]电路47 ’產生由燃料電極側分離器24經質子傳導體 2、笔極接合體22而流向氧化劑電極側分離器Μ之方向之圖 二時：方向之電流。又，在發電單元18之質子傳導體 極接^泵側電路48°由第—分離器24經質子傳導體膜電 。體29而流向第二分離器28之方向之圖2中之反時針 向之電流被施加至此泵側電路48。 曾此泵側電路48係構成可將適當大小之電壓施加至質子傳 導體20之第—施加電極3()與第二施加電極取間。另外， 在泵側電路48設有可變更所施加之電虔大小及其電虔之施 ^方向之可變電源49。在此泵側電路48中，通常以使第一 允加電極3〇之電位高於第二施加電極3丨之電位以上方式施 加電壓，藉此，可使質子傳導體2〇產生泵作用，使含;= 水分之濕氫流通至回流配管33。 相反地，以使第一施加電極3〇之電位低於第二施加電極 31之電位方式施加電壓，可使含多量水分之濕氫由第二分 離器28向第一分離器24移動，藉此，將含多量水分之濕氫 由第一分離器24供應至發電部19，將其水分在發電部19利 用於發電等而利用於有效之發電及其他之作用（作為輸送 水之作/用等）。 圖3係表示圖2之電路構成之變形之實施例，與圖2相同之 邛分附以同一符號。在本實施例中，取代回流配管3 3而設 迁迴配官50。構成將迂迴配管5〇之一端連接於第二分離器 28，將他端連接於第一分離器24。在迂迴配管5〇，由接近 於第二分離器28之側依序配設壓力計44、溫度計43及流量 88486.doc -32- 1235519 計45，但省略止回閥。此壓力計44等之配置、排列並部限 定於此，且也可採用設有止回閥之構成。依據此種連接構 成，也可獲得與圖2之實施例同樣之效果。 圖17A、B係說明氫濕度與氫流路之關係之曲線圖。在圖 1 7A中，付號57係表示以往之濕度分布，表示在氫流路之上 級。卩，氫之岔度較咼，隨著向下流部之移動，氫之密度成 正比地降低。符號58係表示對以往之氫濕度分布，利用濕 度控制施行加濕、除濕控制之範圍。此時，由於在氫流路 之上流部與下流部之氫濕度有相對差，故光僅如此並不理 想，故如符號59所示，需將濕度循環之濕度斜度平均化。 圖17B係如本實施例所示，控制氫濕度，將濕度循環之濕 度斜度平均化，並表示平均化之氫濕度（符號59)之濕度範圍 刀布（付唬60)。如此，謀求氫濕度之平均化時，可一面一面 將舍包效率'降低抑制於最小限度，—面有效地繼續進行 發電動作。 而且’依據本發明，曾工作播 .^ τ 貝子傳^體2〇在質子傳導體膜乾燥 守（水分不足而乾燥時），一 .^ , } 叙雖較難以起作用，但因只有在 風流路被水閉塞時才雲 所；；土 ^ 而要風循每，故可藉該水充分確保使 貝子泵起作用所需之濕度。 電部19與質子傳導體如本^例所不’將發 19之氯濕度與流向質子傳導2相接近’可將流向發電部 準。 寻¥體20之氫濕度保持於同等之位 其結果，觀測質子傳導 即可同時感側氯極㈣極、八内電阻(=施加電壓/電流)， ° )王體之濕度，故可藉此達成濕度 88486.doc -33 - 1235519 2側氣，作用。又，如上所述，藉使-對氣體擴散層間之 电壓之知加方向反轉，可使果方向反轉而使濕度高之氯項 方向私動且泵泵速度）可藉氫流量之調整自由地加以 設定，可經由與質子泵之面積、施加電遷、電流、質 導體膜之材料等之配合，提高泵效率而謀求最適化。 又：依據質子泵，除了透過質子傳導體膜所施行之質子 之傳導外，並可促進輸送水之移動（氫與水之移動）。因此， 可調整燃料之氫濕度達到適於發電之程度，故可防止發電 部之質子傳導體之過度乾燥及淹沒於水巾利起之發電反 應之降低。另夕卜，在水分之移動方面，可因使用處所之$ 同而發揮除濕或加濕之效果，並可達成作為減壓調整器、 升壓i縮機、或流量控制器之機能。@，可利用此時之壓 力斜度謀求循環流之一方化，防止氫之逆流。 〆又，作為燃料氣體’不僅可使用僅由純粹之氳組成之氫 二’也可使用成分之一部分含有氫之氫混合氣體（例如甲 文兀甲％、丙烧、丁烧、汽油等）。即，除了利用高㈣ι 液體氫槽、氫館存合金等供應氳氣本身之方法外，也可使 =將天，、、、氣（曱燒）、甲醇等既有之碳化氫系燃料改性而供應 富有氫成分之改性氣體之方法等。又，氧之供應也相同， 除供應空氣之方法外，也可使用供應氧氣本身之方法。 圖4係表示本發明之燃料電池之第2實施例，表示本實施 例之燃料電池62係構成將新的乾氫63供應至上述第1實施 例之水分儲存器34 ’以調整回流配管33内之氫之狀態。其 他之構成與上述圖1之情形相同，故在同-部分附關一符 88486.doc -34- 1235519 號而省略其說明。又，回户 、— A [配& 33在本實施例中，也盥前 述貫施例同樣地以使用管狀構 /、 一,, 再仟運接成配官之構成加以圖 不，但並不限定於利用配管之連接之構成，當然也可包含 例如將分離器彼此接合而形成回流管路等其他連接構成。 依據此第2實施例，預先被濕氫賦予適度之濕度K被 供應至4個發電單元15〜18中之第一 ^ τ I弟赉電早7L 15之燃料供應 口。因此’可通過4個發電單元15〜18中之串聯之氫流路， 使具有略平均化之濕度之氫流通。 、圖5係表示本發明之第3實施例，本實施例所示之燃料電 池6 4係將上述第2實施例之第—發電單元i $構成與第四發 電單元18同一構成而設置第一發電單元15A，在最上流位置 之發電單元也設有質子傳導體2〇。第一發電單元isa具有與 第四發電單元18同樣構成，回流配管33之前端連接於第一 發電單7〇 1 5A。燃料電池64之其他構成與圖4所示之第2實施 例相同，故在同一部分附以同一符號而省略其說明。 在此第3實施例中，由第四發電單元18之質子傳導體 排出之濕氫被供應至水分儲存器34，使該氫與供應至水分 儲存器34之新的乾氫63相混合。混合後被調整於適度濕度 之氫被供應至第一發電單元15A之質子傳導體20之第二分 離器28。此第二分離器28所供應之氫在通過質子傳導體2〇 之際，可供上述泵之作用使用。其後，通過質子傳導體2〇 之氫之一部分移動至發電部19，以供上述發電作用使用。 另一方面，通過質子傳導體20之氫中，除了被發電部19 消耗之部分以外之剩餘部分由第一分離器24移動至第二發 88486.doc -35- !235519 電早元16。此氫之一部分在第二發電單元16供發電使用， 其剩餘部分被供應至第三發電單元17。另外，移動至第三 2電單元17之氫之一部分供發電使用，剩餘部分被供應至 第四發電單元18。而，在第四發電單元18中，如上所述， 被施行發電部19之發電使用與質子傳導體2〇之泵作用。 又，圖5之水分儲存器（貯藏器）34也可採用設於第一發電 =元以或第四發電單元18内部之構成，且也可採用將4個 發電單元以、16〜18全部構成為__體，而在其内部内藏水 分儲存器34之構成。 〇係本發明之燃料電池之實施例 、 ，、〜ν〜，土〜$凡％圃。此燃 "电池65係由互相重疊之氧化劑電極側分離器66、烬料電 極側分離器67、第二分 ^ ^ ^ _ 弟-刀離秦發電部69及表示氫氣濕度 :置之—具體例之質子傳導體所構成。氧化劑電極 二離器66與燃料電極側分離器67係介著發電部69互相重 二 =於兩分離器66、67内部之空間部被發電部的分隔 一：相巩體擴散室71與燃料電極側氣體擴散室&第 ^^68重#於燃料電極侧分離器67之外側 兩分離器67、68内邱擗*袁-以— 室之内*成表不供應氫氣之第二氫流路或氫 體例之虱氣室73。 另外’在氧化劑電極側分 供應⑽連通^^ _66叹有乳供應口74,此氧 、虱化州側氣體擴散室71。大氣中之* ”是氧）或來自氧儲存 工”（ 燁斜雪技^ \ 乳散1,、應至此虱供應口。又，在 …、、電極側勿離器67設有婵料 連通於燃料電極側氣體擴散室；/5,此燃料供應口 75 - 氧儲存益等燃料供應源 88486.doc -36 - 1235519 連接於此燃料供應口 75，由該燃料供應源被供應燃料（尤其 是幻。在第三分離器68設有氫供應口 76，此氫供應口職 通於氫氣室73。在此氫供應口 76連接前述氫儲存器等辦料 供應源或個別設置之氫供應源，由該氫供應源被供應氯。 作為，等氧化劑電極侧分離器66、燃料電極側分離器 67、及第三分離器68之材料’當然可適用例如非傳 塑膠等，也可適用具有傳導性之|g合金、不錄鋼合 材料等。圖6所示之實施例係以傳導性材料形成3個 、^此k ’只要在氧化劑電極侧分離器66與燃料電極 則刀離益67之間及燃料電極側分離器67與第三分離器μ之 間分別介設絕緣性之密封材料77即可。 燃枓電池65之發電部69具有保持於氧化 =與燃料電極側分離器67之間之發電用之質子料^ / 3又於此f子傳導體膜78之兩面之-對觸媒層79、80。 4觸媒層79、8〇之材料，例如可使用翻或麵•釕等 之觸媒。包圍_方夕奋 ^ 層9周圍之氧化劑側氣體擴散室 為乳化㈣側之氣體擴散層，包圍他方之觸媒層8〇周圍之 側氣體擴散室72為燃料電極侧之氣體擴散層。作 為此專氧體擴散層之材料’例如可使用碳布、碳紙等。 又在燃料電極側分離考土 細與氫氣室73之開口 ；83\通燃料電極側氣體擴 導體7。，利用此等水1輸=二Μ1,安⑽ ⑴使第一氫流路或氣 ？子傳導體隔開開口部 二氯流路或氨室之氯氣室側氣體擴散室72與第 不 飞軋至73刀離。圖6所示之實施例係表 88486.doc -37- 1235519 以質子傳導體 開而分離燃料電極側氣體擴散室72盘 氣室73之例。 /、乳 二貝子傳導體70具有舆發電部69同樣之構成，具有固體 n刀子私解f膜之質子傳導體膜84與設置於此質子傳導體 膜84之兩側之第一觸媒85及第二觸媒86。另外，在第一觸 媒=面臨燃料電極側氣體擴散室^之面設有第一電壓施加 用电極纟第_觸媒86面臨氫氣室73之面設有第二電壓施 加用電極。在此耸；楚 ^ 牡此寺弟一及弟二電壓施加用電極之間可選擇 地艾更其電壓之施加方向。因此，可使第一電壓施加用電 極之知加包墨南於第二電壓施加用電極之施加電壓，相反 地’也可使第二電壓％加用電極之施加電塵高於第一電壓 施加用電極之施加電壓。 質子傳導體膜84係以完全阻塞整個開口部83之方式固定 於燃料電極側分離器67之内側。因此，配置於質子傳導體 胺84之一面之第一觸媒85朝向被供應供發電用之燃料氣體 之燃料電極側氣體擴散室（第—氫流路或氫室）72，配置於他 面之第二觸媒86朝向被供應供輸送水分用之氫氣室（第二 氫流路或氫室）73。 將具有此種構成之燃料電池65之作用概略說明時，例如 如以下所述。在圖6中，對燃料電池65之氫供應口 ％供應燃 料氣妝，對氧供應口 74供應空氣。此時，氧供應口 74開放 於大氣呀，可由大氣中自動地供應空氣。其結果，在燃料 電極側分離器67内之陽極側，氫（Η。被分解成電子（〇與質 子（H+)，在氧化劑電極側分離器66内之陰極側，氧（〇2)與在 88486.doc -38- 1235519 夤子傳導體膜78移動之質子（H+)及通過外部電路進來之電 子〇 )相耦合。因此，可取出在發電部69發電之電子（e_)作 為電力。 此際，在發電部69之陰極側，利用氧（ο。與質子（H+)及電 子（〇之耦合產生水（4H++4e-— 2H2+〇2=2H2〇)。此發電部69 產生之水在氧化劑電極側分離器66側之觸媒層乃及質子傳 導體膜78反擴散而反擴散至燃料電極侧分離器⑺則之觸媒 層8〇，使水分通過觸媒層8〇滲出至燃料電極侧分離器…側 之表面，在燃料電極侧氣體擴散室72内之氫中蒸發。因此， 燃料電極側氣體擴散室72内之濕度升高，其水分經由氣體 擴散層傳導至質子傳導體7〇。 傳V至貝子傳導體7〇之水分係由第一觸媒85滲入其内 15 、、二由貝子傳導體膜84被輸送至相反側之第二觸媒86。 此時’可藉改變施加至質子傳導體膜84兩面之電壓之施加 方向，改變水分旧20)及質子奶之移動方向。π，如圖所 丁使貝子傳導體膜84之第一觸媒側電極之電壓高於第二 觸媒側電極之電壓時，可將水分(出〇)及質子(it)由第一： “（極）側傳V至第二觸媒86(-極）側。此時，發電部69側 之濕度’欠低，其燃料氣體處於被乾燥之傾向。 〃反之，使質子傳導體膜84之帛二觸媒側電極之電屋高於 第Γ觸媒側電極之電壓時’可將水分_)及質子（H+)由-極 之弟二觸媒86側傳導至+極之第-觸媒85側。此時，發電部 69側之濕度變高’其燃料氣體處於被濕潤之傾向。因此， 可藉控制質子傳導體膜84之電壓之施加方向，改變水分及 88486.doc •39- 1235519 質子之移動方向而調整發電部69之燃料氣體之濕度。 又’取代質子傳導體膜84而使用水分輸送體，也可調整 燃料氣體之濕度。此時，在水分輸送體，不施行電壓之施 加，而利用濕度差產生之自然擴散施行使水分移動之濕度 調整。此水分輸送體並非吸收接觸於表面之水分以保持該 水分，而具有將水分由濕度較高側輸送至較低侧，由相反 側加以排出之機能。例如，燃料電極側氣體擴散室72内之 濕度高於氫氣室73内之濕度時，經由水分輸送體使其水分 滲出至氫氣室73内，其滲出量超過特定量時，其水分會凝 結成水滴，由氫氣室73排出至例如外部或提供作為其他之 發電卓元之水分調整之用。 重複施行此種利用質子傳導體70(或水分輸送體）之氫之 濕度控制，在發電部69連續產生水時，也可調整該發電部 69之氫濕度，將發電最適當之濕度之燃料氣體供應至發電 部69，並由發電部69除去多餘之水分。 如此’依據本實施例之燃料電池65，由於將質子傳導體 7〇(或水分輸送體)設置於燃料電極側分離器⑺則，可將 時之燃料電池65内之濕度維持m適正狀態，經；以 取適之狀態使發電部69連續施行發電動作。 圖7係圖6所示之燃料電池65之 丹體的構成例之說明 圖。在圖7中，在與圖6 及主-㈤ 丨刀附以冋一符號。又，圖8 係表不圖7所不之燃料電池65之 每 形只苑例之燃料電池88。 圖之β料電池65及圖8之燃料電、、也 1 ww 冤池88係由多數發電部與 1個（或1組）質子傳導體7〇所構 再风將具有珂述構成之多數個 88486.doc !235519 氧化劑電極側分離器66、與同數之燃料電極側分離器67交 f重疊’並將第三分離器68疊層於最後之燃料電極側分離 态6 7之一面。 2圖8所不之燃料電池88中，此等分離器疊層體係以橫向 狀態被載置於1個質子值道鰣 、 貝于傳¥體70上。而，質子傳導體70係被 载置於弟四分離器89。對橫排之分離器疊層體，由上方供 應燃料之氫，由側方供應空氣。而，構成可將供在發電部 作為發電動作用使用後之多餘之水分，由質子傳導體7〇之 下方向侧方排出。採用此種構成，也可獲得與前述實施例 同樣之效果。 、、又，圖9係表示圖6所示之燃料電池“之變形例之燃料電 池95之構成之剖面圖。燃料電池％係由發電部的、質子傳 導體7〇與水分輸送體91所構成。即，燃料電池95係由互相 重豐之氧化劑電極側分離器66、燃料電極側分離器67及第 =分離器，、質子傳導體7〇用之高分子電解質膜之質子傳 導體膜8 4、及矣千士八认…# ’、刀輸运體之一具體例之水分輸送體91 所構成。 、艮刀輪廷體91係利用濕度差產生之自然擴散施行使水 ’刀移動、、’，而非吸收接觸於表面之水分以保持該水分，具有 將其輸运至濕度較低側’由相反側之面排出外部之機能。 &刀輸运體91也可採用安裝於燃料電極側分離器^之内 ^構成。水分輸送體91例如可使用質子傳導體膜之全氣 石頁酸膜、那菲昂膜（含氟樹脂系）或？孔質陶兗等。 在氧化劑電極側分離器66、燃料電極侧分離器67、配設 88486.doc -41 - 1235519 於兩分離器66、67之間之發電部69 之水分輸送體91、密封發電部69偉^二刀離器68 ..^ . χ 貝子傳導體膜78與氧化 钟J電極側么離器66及燃料電 ⑽八… 側刀離裔67之間之密封材料 係：，、上述圖6之燃料電池65相同。而，在氧 側分離器66設有氧供應口 74，在 θ ° 氫供應口76。 紅枓电極側分離器67設有 广，：燃料電極側分離器67之水分排出口之内侧開口 :M3 „又有貝子傳導體7〇。此質子傳導體具有與發電部69 ==成’具有高分子電解f膜之質子傳導體膜84與設 置於^子傳導體膜84之兩側之第—觸媒似 二質子傳導體細以封閉内側開口部83之方式安裝於二 料電極側分離器67内側，配一 … # "面之弟一觸媒Μ朝向 無電用之燃料氣體之燃料電極側氣體擴散室72， 配^於他面之第二觸媒86朝向被供應供取出水分用之燃料 氣體之氫氣室73。 又’第三分離器68係設置成介著密封材料77而重疊於蜗 =側，離器67,3個分離器再整體上構成三層構造。、在、 ^ -刀離盗68設置水分排出口之外側開口部％。在此第三 ^離器68之内面，以阻塞外側開口部92之方式利用㈣ ¥、夾持或其他固定手段安裝著水分輸送體Μ。而，在第 =分離器6 8之側部設有氫供應口 7 6，可供應將在質子傳導 中傳v而苓出第二分離器68侧之水分攜出至外部用之 水分攜出用燃料。 在具有此構成之燃料電池95中，施行與圖6所述相同之發 88486.doc -42- 1235519 電反應與利用質子傳導體70之水分反應，可藉控制質子傳 導體70之電壓之施加方向，變更水分及質子之移動方向而 調整發電部69之燃料氣體之濕度。 定量時，其水分會凝結成水滴而被排放出至外部。 又’傳達至水分輸送體91之水分會滲人其内部而被傳達 至相反側之面，並滲出於該面而與外氣接觸。與水分輸送 體91接觸之外氣濕度因低於第三分離器68内部之濕度，故 水分輸达體91所含之水分會被排放出至外氣中。重複施行 此種質^傳導體7G及水分輸送體91之水分之傳導，在發電 部69連續產生水時，也可調整其濕度，將最適當之濕度之 燃料氣體供應至發電部69’並排出多餘之水分於外部。 如此，貝子傳導體70之觸媒層％之濕度升高，被第二八 離器68包圍之氫氣室73内之濕度升高時，其水分會滲入水 分輸送體91内。而，水分輸送體91内之濕度升高至某程度 時，水分會滲出於與外氣接觸之表面，在其滲出量超過^ 如此，依據本實施例之燃料電池95，由於將質子傳導體 7〇及水分輪送體91設置於燃料電極側分離器_，可將發 電時之燃料電池95内部產生水分由燃料電極側分離器_ 排出於外部，將發電時之燃料電池95内部之濕度維持於一 定之適正狀態，經常以最適之狀態連續施行發電動作。 圖1〇A、圖1〇B係表示將質子傳導體組合於上述之發電部 所構成之發電單元之另—實施例。圖i〇A係具有與圖"斤示 發電單元似略相同之構成，屬於將氧化劑電極側 之氧取入方式構成大氣開放式之實施例。此發電 88486.doc -43- 1235519 單元100係由發電部19質子傳導體20所構成。 第一分離器24與第二分離器28係藉使氳流通之氫配管 120相連通，可由兩分離器24、28之任一側對他方供應氫。 又，第二分離器28及氫配管120可使用吸濕性材料，且也可 構成如集露器等可將氫排出外部之構造。 圖10B係表示圖10A所示之發電單元1〇〇之變形例，屬於 將氧化劑電極側之氧取入方式構成空氣壓送式之實施例。 此發電單7G 101係設有具有氧化劑電極側分離器121之發電 部19A。在氧化劑電極側分離器121之内面設有壓送空氣（氧） 之多數連通溝122。其他構成與發電單元1〇〇相同。 圖11A所示之發電單元1〇2係在圖1〇B所示之發電單元 101中，利用在燃料電極侧分離器24貼合上下電極25、3〇等 而體化地構成燃料電極側分離器123，同樣地，在氧化劑 電極側分離器121 —體形成集電板電極％而構成氧化劑電 極側刀離為124，再於第二分離器28一體形成電極31而構成 第二分離器125。藉此，使各分離器123、124、125具有電 極之機能，而構成可經由此等分離器123、124、125執行集 電機能及電壓之施加等。 另卜配5氧化劑電極側分離器124之機能，將燃料電極 側刀離為123與第二分離器125構成適合於空氣壓送式之構 成二而，利用氫配管120連通質子傳導體2〇之燃料電極側分 _态123與第二分離器125時，可使氫在兩分離器123、125 間互相μ通。依據此實施例，可減少發電單元之零件數， 謀求裝置之薄型化、小型化。 88486.doc -44 - 1235519 圖ΠΒ所示之發電單元ι〇3係在圖1〇A所示之發電單元 100中，利用在燃料電極側分離器24上下貼合電極25、3〇等 而一體化地構成集電板126，以謀求發電單元103之構造之 簡化。集電板126經由氫配管120連通於第二分離器28。在 本實施例之情形，燃料氣體之氫由集電板126及第二分離器 28被供應至發電部19及質子傳導體2〇。 圖12所示之發電單元1〇4係利用質子傳導體20A與水分輸 體12 7之2個氫氣濕度控制裝置施行供應至發電部19 a之 燃料氣體之濕度控制。在發電部19A下側配置質子傳導體 20A，在其下側配置水分輸送體127。在此發電單元中， 利用質子傳導體2〇A施行發電部i 9A之質子傳導體膜電極 接合體22之濕度調整，再利用水分輸送體127施行質子傳導 體20A之濕度調整。 另外，質子傳導體20A係由兼作為發電部19A之燃料電極 側分離器之燃料電極側分離器24、第三分離器128、介設於 兩刀離时24、128間之質子傳導體膜電極接合體29及配置於 其上下之電極30、3 1所構成。而，燃料電極側分離器以與 第三分離器128係藉氫配管12〇連通，而構呈可使氫氣移動 之狀態。 又，水分輸送體127係由質子傳導體2〇A之第三分離器 128、供應大氣之第四分離器129、介設於兩分離器i28、i29 間之水分輸送體130及配置於其上下之多孔質板131、132所 構成。水分輸送體130因無觸媒，不需要集電效果，故多孔 質板131、132未必需要。 88486.doc -45- 1235519 圖13A〜圖16B所示之發電單元1〇5、1〇6、1〇7、1〇8、1〇9、 no、hi及112係以質子傳導體137、137Α、137β、138之質 子傳V體膜電極接合體13 9之總面積之比小於發電部〗9 A、 19B之質子傳導體膜電極接合體22之方式所構成。 圖13A所示之發電單元1〇5係由發電部19B與質子傳導體 137所構成。發電部19B係由氧化劑電極側分離器121、燃料 電極側分離器135、質子傳導體膜電極接合體22、介設在氧 化劑電極側分離器12ι與質子傳導體膜電極接合體22間之 集電板電極26、介設在質子傳導體膜電極接合體22與燃料 電極侧分離器135間之電極133所構成。而，在一方之電極 133設有為使氫氣散開至質子傳導體膜電極接合體22全面 而延伸成來回彎曲狀之連通溝丨34。 又’質子傳導體137具有燃料電極側分離器135、第三分 離器142,在此等分離器135、142間設有“固小型質子傳導 體137。質子傳導體13 7係由質子傳導體膜電極接合體ι39、 與配置於其兩面之電極140、141所構成。而，質子傳導體 膜黾極接合體13 9之面積係構成大幅小於發電部19B之質子 傳導體膜電極接合體2 2之面積。 如此，利用使質子傳導體137之大小小於發電部19B之大 小時，也可施行發電部19B之氫氣之濕度控制。尤其，在構 成小型之質子傳導體137時，可集中地施行發電部i9B之任 μ處所之濕度彳工制。因此，依據本實施例，在1個發電部1 9b 中，例如上流側與下流側之濕度差較大時，具有可僅集中 地施行其濕度較高側（或較低側）之濕度控制之優點。 88486.doc -46- 1235519 另外’質子傳導體137具有與作為質子泵之泵容量相稱之 大小之質子傳導體膜電極接合體139，該質子傳導體膜電極 接合體139係由配置於中央之質子傳導體膜、及設置其上下 兩面之觸媒層所構成。對應於此質子傳導體膜電極接合體 139 ’在燃料電極側分離器ι35設有與其大小相稱之大小之 %取入136 ’在弟二分離器142設有具有同樣大小之收容 凹^ 143。而’在兩分離器135、142分別設有連通於氫取入 口 13 6或收谷凹部j μ連通之氫流路。 又，在第二分離器142設有止回閥144，用於防止被質子 傳V體13 7泵及之濕度較高之氫逆流。依據本實施例，可使 用小型質子傳導體施行泵作用，更進一步減少發電效率之 降低。又，無止回閥144也無妨。 圖13B所示之發電單元106係利用大幅小於發電部19B之 質子傳導體膜電極接合體22之質子傳導體137A之質子傳導 體膜電極接合體139之2個質子泵執行氫氣之濕度控制。本 貝施例所示之發電單元1 〇 6異於圖1 3 A所示之發電單元1 〇 5 之處在於：將質子傳導體膜電極接合體139等增加至2個、 以及對應地在燃料電極側分離器135A設置2個輕取入口 136並在第二分離器142 A設有2個收容凹部143 a、 143B。其他構成與上述實施例相同。 圖14A所示之發電單元1〇7係在圖13β所示之發電單元 106之下没置下部發電部19C之實紹列。下部發電部工冗雖 ，有與上部發電部19B相同之構成，但其疊層順序成相反設 疋以顛倒上部發電部19B之狀態配置於燃料電極侧分離器 88486.doc -47- 1235519 135A之下。在本實施例中，因將下下2個發電部丨9Β、Η。 配置成以氫之供應側為中心而上下相對向，故氧化劑侧電 極也可同樣保持相對向，因此，由氫之兩侧供應氧時，具 有也有助於防止氫電極之結露之保溫效果之優點。 圖14B所示之發電單元1〇8係在圖nB所示之發電單元 106之質子傳導體137B設置多數質子傳導體之實施例。與此 對應地，在燃料電極側分離器135B設有同數之氫取入口 136，第二分離142B設有同數之收容凹部143。在本實施 例中，可對發電部19A，隨時切換氫之循環路，因此，〇獨 立地施行發電部19A之任意處之濕度控制（除濕及加濕）。另 外，也可施行氫流路之上流、中流與下流之更換。 圖15A及圖15B所示之發電單元1〇9、11〇係圖UA所示之 發電單元105之變形實施例，使用水分輸送體作為氫氣濕度 控制裝置。水分輸送體以一例加以說明時，係由無觸媒2 質子傳導體膜145、及配置於此質子傳導體膜145兩面之多 孔質板146、147所構成。其他構成舆圖13A所示之發電單元 圖15 A係表示氳由燃 1 0 5相同。此等之說明予以省略。又 料電極側分離器135被供應至發電部19B之情形。又，圖15B 係表示氫由第二分離器142供應至質子傳導體膜丨45，再經 由燃料電極側分離器135被供應至發電部19B之情形。 依據圖15A所示之實施例，可使用小型之水分輸送體，施 行利用自然擴散之水分輸送，因此，不將發電部丨9B所發電 之電使用於水分調整，故可防止發電效率之降低。又，依 據圖15B所示之實施例，可將氫供應至小型之水分輸送體而 88486.doc -48- 1235519 強制地使水分擴散，積極地施行水分輸送。另外，在圖ha 及圖15B所示之實施例中，因無觸媒而無施加電流，故具有 可廢止集電板之使用而謀求構成之簡化之優點。 圖16A所示之發電單元lu係表示圖i5B所示之發電單元 〇之又开/ κ施例。即，在發電單元110之水分輸送體138之 下侧配設上述質子傳導體137，將此等重疊而構成發電單元 。又，圖168所示之發電單元112係表示圖13 A所示之發 甩單7O105之變形實施例。即，在發電單元1〇5之質子傳導 體137之下側配設具有同樣構成之第二質子傳導體η%，將 此等重疊而構成發電單元112。 在此等實施例中，對發電部19B，利用上部之水分輸送體 13 8或貝子傳導體丨3 7施行氫與濕度之循環控制，再利用下 部之質子傳導體137或質子傳導體137c施行該氫之濕度之 增減調整。其他構成與同圖之實施例相同，故省略該等之 說明。另外，在圖17A、圖17B所示之實施例中，發電部以 及質子傳導體及水分輸送體之作用因與圖丨等所述相同，故 省略在此之說明。 本發明之之第14本實施例之燃料電池係在陽極（an〇de)將 氫（H2)分解成質子（2H+)與電子（2e-)，並取出此時產生之電 子作為電。此際，在陰極（cathode)，氧（〇2)與在電解質膜移 動之質子及通過外部電路到達之電子會耦合而產生作為副 產物之水。 燃料電池所使用之質子傳導體為使質子移動而需要水， 故需積極地活用此生成水，使其擴散於質子傳導體内，以 88486.doc -49- 1235519 ==傳導率。另一方面’生成水在質子傳導體内部 l 了成水會妨礙氧之移動，其結果，會阻礙燃料電 池之發電。因此，為使燃料電池連續地施行穩定之發 作，將質子傳導體内之水分經常保持於一定之範圍㈣ 要。 又’本發明之燃料電池之氫氣濕度控制方法係用於 使用於燃料電池之燃料氣體(尤其是氫)之濕度，使用可通過 水及/或水蒸氣但不通過燃料氣體之水分輸送體 輸送體概略地說明如下。 忧“ 水刀輸达體係以利用濕度差之自然擴散而使對象物移動 為目的，其移動對象物為水分。透過此水分輸送體之水分 之移動量例如可利用处_ ώ曰 控制加以調整。……空氣之濕度及溫度等之 ^又，作為燃料氣體，不僅可使用僅由純粹之氫組成之氫 氣’也可使用成分之一部公冬古& 产 烧、甲醇、丙貌、丁炫、、气、、由等)，合氣體(例如甲 沉由專）。即，除了利用高壓鋼瓶、 液體氯槽、氯儲存合金等供應氯氣本身之方法外，也可使 用將天然氣（甲烷）、甲醇等右/ _ 寺无有之妷化風糸燃料改性而供應 二：=:之改性氣體之方法等。又，氧之供應也相同， 示—工乳之方法外，也可使用供應氧氣本身之方法。 明示使用本發明之燃料電池之實施例之原理之說 =圖:作為本實施例所示之燃料電池265係由發電部266、 为輸送體267所構成。即，燃料電池265係由互相重疊 之半飞化劑電極側分離器268及燃料電極側分離器_、發電 88486.doc -50· 1235519 部266用之高分子電解質膜之質子傳導膜27〇、及 體267所構成。 刀輸达
氧化劑電極側分離器268及燃料電極側分離器269係由利 2重豐而在内部形成適當大小之空間部之構件所構成，該 空間部保持著發電部266用之質子料膜U Z ^ 、Μ之材料，當然可適用例如非傳導性之陶瓷或 塑膠等，也可適用具有傳導性之銘合金、不鱗鋼合金或碳 材科等。圖18所示之實施例係以傳導性材料同時形成氧化 劑電極側分離器268及燃料電極側分離器，此時，在各 ㈣器268、269與質子傳導膜，之間只要分別介設絕緣性 之洽、封構件2 7 2即可。 在配置於上側之氧化劑電極側分離器268設有供應空氣 :氧供應口 273。又’在配置於下侧之燃料電極側分離器：9 设有供應空燃料之氫供應口 274。另外，在燃料電極側分離 益269之大略中央設有將燃料電池265内部所生之水分排出 於外部用之水分排出口 275。以覆蓋此水分排出口 π之方 式’在燃料電極側分離器269之外面，利用接著劑、夹持或 其他固定手段安裝著水分輸送體267之質子傳導體膜。/ 水分輸送體267係以利用濕度差之自然擴散而使水分移 動’而非吸收接觸於表面之水分以保持該水分，具有將其 輸=至濕度較低側，由相反側之面排出外部之機能。此: 1送體267也可採用安裝於燃料電極側分離器⑽之内側 2成。水分輸送體267例如可使用質子傳導體膜之全氣績 I胲、那菲昂膜（含氟樹脂系）或多孔質陶瓷等。 88486.doc -51 - 1235519 又，在發電部266之質子傳導膜270之兩面，即在氧化劑 電極側分離器268侧之面設有觸媒層276，在燃料電極側分 離器269之面設有觸媒層277。作為此等觸媒層276、277之 材料，例如可使用翻或翻•釕等之觸媒。更在各觸媒層 276、277之外侧分別設有氣體擴散層278、279。作為此等 氣體擴散層278、279之材料，例如可使用碳布、碳紙等。 圖19係表示圖1 8所示之燃料電池2 6 5之一實施例之概略 構成之說明圖，在同一部分附以同一符號。燃料電池265除 上述2個分離器268、269外，具有第三分離器280，利用此 第三分離器280與燃料電極側分離器269夾持作為水分輸送 體267之質子傳導體膜。 更在第三分離器280設有空氣供應口 281，可供應將在水 分輸送體267中傳導而滲出第三分離器280側之水分攜出至 外部用之水分攜出用空氣。由此空氣供應口 28 1注入之水分 攜出用空氣係通過第三分離器280與水分輸送體267間之供 應路282而被取出於外部。 圖19所示之符號283係密封燃料電極側分離器269與第三 分離器280之間之密封構件。又，符號284係設於水分輸送 體267兩面之補強材料，此補強材料284例如由多孔網目狀 之紗布般之材料所構成，其使用目的在於調整水分之攜出 量、或調整使用密封構件283所產生之水分輸送體267與第 三分離器280之間之間隙等。 將具有此種構成之燃料電池265之作用概略說明時，例如 如以下所述。在圖18，對燃料電池265由氫供應口 274供應 88486.doc -52- 1235519 燃料至陽極側之密封燃料電極側分離器269内，由氧供應口 273供應空氣至陰極側之氧化劑電極側分離器268内。此 時，氧供應口 74開放於大氣時，可由大氣中自動地供應空 氣。因此，在陽極，氫（HO被分離成質子（2H+)與電子（2e.)， 在陰極，氧（〇2)與在質子傳導體膜27〇移動之質子（2H+)及通 過外部電路進來之電子（2〇相耦合。因此，可取出在發電 部266發電之電子（2e-)之一部分作為電力。 此際，在發電部266之氧化劑電極側分離器268内，利用 氧氧（〇2)與質子（2H+)及電子（2e_)之耦合產生水（4H++4e、 2ίί2+〇2：=2Η2〇)。此發電部266產生之水在氧化劑電極側分離 杰268側之觸媒層276及質子傳導體膜27〇傳導而反擴散至 燃料電極側分離器269側之觸媒層277，而後，通過觸媒層 277滲出至燃料電極側分離器側之表面。因此，燃料^ 極側分離H 269内之濕度升高，其水分經由氣體擴散層279 傳導至水分輸送體267。此時，被排出之物當然也可為水蒸 氣而非作為液體之水。 又，傳導至水分輸送體267之水分係滲入其内部，被傳導 至相反側之面’滲出該面而接觸於外氣。與水分輸送體加 接觸之外氣濕度低於燃料電極側分離器269内部之濕度，故 可將水分輸送體267所含之水分排出於外氣中。利用、重又複施 行此種水分之料，在發電部266連續產生水時，也可連續 地將該水排出料部。因此，在燃料電極側分離器2 6 9形^ K刀排出口 275而设置水分輸送體267時，即可由燃料電極 側分離器269側將發電時燃料電池265内部產生之水分排出 88486.doc -53- 1235519 於外部，將燃料電池265内部之濕度經常維持於一定之適正 狀態。 ^此時，在圖19之實施例中，傳導至水分輸送體之水分 係被放出於在此傳導而在第三分離器28〇側排出之排出氣 體之水分攜出用之线中。而，利用由控氣供應口加所供 應之水分攜出用之空氣，通過形成於第三分離氣扇之流路 榀出至外部。因此，可將發電時燃料電池265内部產生之水 分排出於外部，將燃料電池265内部之濕度經常維持於一定 之適正狀態。 圖20係表示將圖18及圖19所示之實施例之燃料電池如 構成二層構造之例之概略構成之說明圖。在此圖2〇中，愈 圖18及圖19同一之部分附以同—符號而省略此等之說明。 燃料電池265除上述3個分離器、⑽、撕外，並具有〕 個中間分離器294、295。兼作或气儿十丨㊉丄 震作為虱化劑電極側分離器之第 -中間分離器294係配置於燃料電極側分離器269之下侧， 在第一中間分離器294之下側配置第二中間分離器295。第 二中間分離器295兼作為燃料電極側分離器，在此第二中間 分離器295之下側配置第三中間分離器287。 在氧化片J电極侧为離益268與燃料電極侧分離器· 之間配a又第-發電部266 ’在燃料電極側分離器⑽與第一 中間分離|§ 2 9 4之間配号·莫笛 τ 门又者弟一水分輸送體267。更在第一 中間分離器294血镇- Φ 八*知cm 卜 ”弟一中間分離器295之間配設第二發電部 296’在第二中間分離哭295鱼筮—& ^、 ^ 雕抑弟二中間分離器287之間配設 第Κ刀輸达體297。而，在第—中間分離器294設有供應 88486.doc -54- I235519 =為發電用氧與水分攜出狀线之空㈣之兼用供應 ……在第二中間分離器295設有對第二發電部296供 %燃料氣體之氫用之第二氳供應口 299。 〃第二發電部296具有與第一發電部266同樣之構成，又， =二水分輸送體297具有與第—水分輸送體如同樣之構 但，第一發電部266與第二發電部296之構成、及第一 水分輪送體267與第二水分輸送體297之構成當然也均可分 別為相異之構造。又，作為第一及第二中間分離器294、295 之材料，與燃料電極側分離器269同樣地，當然可適用例如 2傳導性之陶莞或塑膠等，也可適用具有傳導性之銘合 金、不銹鋼合金或碳材料等。 如圖20所示，發電部及水分輸送體多數個疊層而成之多 層構造之燃料電池265之作用可概略說明如下：第一發電部 266與第二發電部296之發電動作與上述圖之說明相同， 2各發電部266及296中個別地施行放電，並將個別發電之 電經由電路集中取出至外部。 千此時，由兼用供應口 298所供應之兼作為水分攜出用之發 黾用之工氣由於濕度低於燃料電極側分離器Mg内部，故第 一發電部266產生之多餘之水分可藉第一水分輸送體％?之 作用被攜出至第一中間分離器294側。被第一水分輸送體 267排出至第一中間分離器294側之空氣中之水分係通過形 成於第一中間分離器294之流路而被攜出至外部。因此，可 將發電時第一發電部266内部產生之水分排出於外部，將第 一發電部266内部之濕度經常維持於一定之適正狀態。 88486.doc -55- 1235519 又’由空氣供應口 2 9 3所供應之水分攜出用之空氣由於濕 度低於第二中間分離器295内部，故第二發電部M3產生之 多餘之水分可藉第二水分輸送體297之作用被攜出至第三 中間分離器287側。被第二水分輸送體297排出至第三中間 分離器287側之空氣中之水分係通過形成於第i中間分離 器287之流路而被攜出至外冑。因在匕，可將發電時第二發電 部296内部產生之水分排出於外部，將第二發電部296内部 之濕度經常維持於一定之適正狀態。 在圖18至圖20中，係說明將水分輸送體及第二水分輸 送體297形成於鄰接於燃料電池之發電部266及第二發電部 之位置之例，但即使形成於離開發電部之位置，也可安裝 於燃料氣體流通之燃料流路上而與水分攜出用之空氣接 觸。利用水分輸送體267及第二水分輸送體297在燃料氣體 與水分攜出用之空氣之間施行水分之輸送，可將發電時發 電部產生之水分排出於外部，將發電部之濕度經常維持於 一定之適正狀態。 其次，說明製作依據圖2〇所示之實施例之試驗模型所進 行之試驗。此試驗可說係在氫侧之水分管理上使用水分輸 送體而以被動之構造進行之試驗。此試驗模型之構造之概 略如圖20所示，使用那菲昂膜作為2處之水分輸送體。 在此試驗模型之發電部產生之水分可通過那菲昂膜而以 與外氣保持相同濕度平衡之方式移動，故氫供應部不會積 水。將此那菲昂膜與第二發電部重疊，在其間設置空氣供 應路時，可共享空氣之供應而構成堆疊構造。又，若將試 88486.doc -56- 1235519 厚双模型之全部燃料供應路及空氣供應路之末端部分關閉而 構成利用泵壓送燃料及空氣，則可獨立地控制氫側及空氣 側之水分攜出量，因此，可更精密地施行濕度控制。 又，在圖20之實施例中，當然也可構成在第三中間分離 器287設開口部，由覆蓋該開口部之水分輸送體㈤將水分 排出至外部。又，構成〗個燃料電池之疊層之發電部及水分 輸送體之數並不限定於本實施例之數，也可疊合3個以上之 適當數。 圖21係表示由試驗模型所得之輸出特性之曲線圖，縱軸 表示單元$壓（v) ’杈軸表示時間（sec)。作為發電部及水分 輸㈣之高分子電解質膜電極接合體⑽A)，使用M22 5 cm大小之接合體。試驗條件為連續通以3 a(安培）之電流， 並以送風扇冷卻至與室溫同程度。其結果，可由_中， 明確呈現下列之事項。 跌係為設定測定條件所發生之變動，屬 域外之部分。就不含此非計測區域（〇點 (t2點至t3點及t4點至15點）之全體而言， 電壓輸出（約0·62 V)。 在圖2艸，由剛運轉後μ點至12點（約25〇叫之電壓變 =係因設定時之各種電子機器、零件等之性能達到穩定以 w之變動而產生之變化。又’⑽（約i5gg s叫至點之下 於本試驗之計測區 至t4點）之計測區域 可獲得始終穩定之 /22係表示以電流4A連續運轉8小時時之最後約2小時之 早兀電Μ與内電阻之關係之#線圖。此賴係針對第一發 電單元州、叫與第二發電單元（V12、R2)2個所進行。依 88486.doc •57- 1235519 據此電壓（V)-電阻（Ω)曲線，在第一發電單元中，電壓輸出 (VII)約0.640 V，内電阻（R1)約〇 〇17〇(Ω)，在第二發電單元 中’電壓輸出（VI2)約0.634 V，内電阻（R2)約〇〇18〇(ω)。 由此…果可明悉·電壓之偏差在±丨mV，電阻值在〇· 1 之範圍内，確認可維持穩定之運轉。在此期間，無必要清 除氯n曾發生燃料供應路等之結露或燃料不足等之麻 煩問題。 m » 23係表不上述試驗之電流（A)與電壓之關係之曲線 圖。此試驗係針對第一發電單元及第二發電單元分別各試 =次。依據W-V(電流電麼）特性之曲線，確認在第一發 二：兀(符號•與〇)及第二發電單元(符號_與口)中，均可 毫無問題地輸出達到7安培（Α)程度之電流。 > —圖至圖23所不，水分輸送體接觸於燃料氣體與排出 孔體’以施行在燃料氣體與排出氣體間之水分輸送時，在 體濕度高於排出氣體之情形，施行由燃料氣體側向 :體側之水分之移動，在燃料氣體濕度低於排出氣體 “，，施行由排出氣體側向燃料氣體側之水分之移動。 =單I::料電池之發電產生之水分導致成為不適於 氣於 Χ之濕度狀悲，顯然也可藉重複施行在燃料 乱體14排出氣體八 常维梏於一— 刀輸一，將燃料電池内部之濕度經 、、、:一又之適正狀態，繼續施行良好之發電。 以上係本發明之内容，但本 例，例如有關作A气“…、'不限疋於上述之實施 述之大气門:之供應方法，並不限定於上 如此’本發明可在不脫離 88486.doc -58- 1235519 其要旨之範圍内，作種種適當之變更。 【產業上之可利用性】 如=上所說明，依據本案申請專利範圍第！項之氫氣濕度 :制：置’由於採用利用水分輸送體分離第—氫流路或氫 室與第二氫流路或氫室之構成，故在2個氫流路或氫室内之 X及或X羔氣之比率相異時’可經由水分輸送體將水及/ 或水蒸氣由其比率較高之-方輸送至較低之-方，而獲得 控制虱濕度’使2個氫流路或氫室間之水及/或水蒸氣之比 率相同之效果。 ^ j本案申請專利範圍第2項之氫氣濕度控制裝置中，氫氣 係藉燃料改性所產生之氫t，由於藉燃料改性等所產生之 氯氣含有較多水分，故可獲得較容易避免水分不足之狀況 之理想效果。 依據本案申請專利範圍第3項之氫氣濕度控制裝置，由於 採用利帛胃？傳導體分離第一氫流路或氫室與帛二氫流路 或虱室之構成，故在2個氫流路或氫室内之水及/或水蒸氣 之比率相異時，可經由質子傳導體將水及/或水蒸氣由其比 較南之方輸送至較低之一方，或由較低之一方輸送至 車乂呵之一方。又’即使在其比率相同時，也可經由質子傳 導體將水及/或水蒸氣由一方輸送至他方。藉此可獲得自由 才工制氫濕度，使2個氫流路或氫室間之水及/或水蒸氣之比 率相同或設定於任意之比率之效果。 依據本案申請專利範圍第4項之氫氣濕度控制裝置，由於 採用在質子傳導體面臨第一氫流路或氮室之面與面臨第二 88486.doc -59- 1235519 ί流路或氫室之面之至少—方配置觸媒之構成，故可獲得 猎该觸媒將氫分離成質子，且將質子轉換成氫之效果。 _本㈣請專圍第5項之氫氣濕度控制裝置，由於 在弟—氫流路或氫室設置第一電塵施加用電極，並在第二 2流路錢室設置第二電壓施加用電極，將f子傳導體央 持於此等電極之間，故可利用此等構件構成質子果，以施 之濕度控制。因此’可獲得使用作為將氫流路或氫 :内之風濕度保持於最適狀態用之加濕·除濕裝置、濕度 感測器、㈣調整器、升屋壓縮機、流量控制器等之效果。 依據本案申請專利範圍第6項之氫氣濕度控制裝置，由於 =將電心加於第一㈣施加用電極與第二電厂堅施加用 =之間之構成，故可獲得經由質子傳導體使質子由電壓 乂同之側向電壓較低之側移動之效果。 依據本案中請專利範圍第7項之氫氣濕度控制裝置，由於 採用使用鉑作為觸媒之播 卜、 媒之構成，故可獲得藉該觸媒有效地將 氫分離成質子，或將f子轉換成氫之效果。 二案申請專利範圍第8項之氫氣濕度控制裝置中，氫氣 =料改性所產生之氯氣，由於藉燃料改性等所產生之 之:Γ有車又夕水分，故可獲得較容易避免水分不足之狀況 之理想效果。 =本案申請專利範圍第9項之燃料電池，由於在包含燃 二：广、氧化劑電極側分離器、與質子傳導體膜 二二1個或2個以上之發電單元、及氫氣濕度控制 衣之然抖電池中，於氫氣濕度控制裝置之第一支持板與 88486.doc •60- 1235519 、、曰人$寺板之間夾持水分輸送體，使氫與水及/或水蒸氣之 ，孔接觸於第_支持板，且使至少氫接觸於第二支持 古士欠可j侍在被供應燃料之氫流路或氫室内之氫濕度較
Li二精水分輸送體將多餘之水及/或水蒸氣傳導至較低 m ’且在該氫流路或氫室内之氫濕度較低時，可 精7二輸迗體由較高侧傳導以行加濕，以便有效地繼續施 行务電動作之效果。 .依據本案中請專利範圍第iG項之燃料電池，由於在包含 ^%極側刀離$、氧化劑電極側分離器、與質子傳導體 =極接合體之丨個或2個以上之發電單元、及氫氣濕度控 !虞置之燃料電池中，於氫氣濕度控制裝置之第-電極與 二電桎之間夾持質子傳導體，使氫與水及/或水蒸氣之混
β氣體接觸於繁—Φ J.-2T Ρ黃㈣弟|極，且使至少氫接觸於第二電極，故 可獲得將電壓施加至兩電極間時，可使水及/或水蒸氣由電 昼較南侧移動至較低侧，藉控制其電壓之施加方向，調整2 们辽机路或虱至之虱濕度，有效地繼續施行發電動 果。 又 又，依據本案申請專利範圍第u項之氯氣濕度控制方 法，由於以第一電極盥篦― /、弟一電極夾持質子傳導體，藉將電 麼施加至第-電極與第二電極之間，以施行在供應至姆料 電池之燃料極而接觸於第—電極之氫、與具有異於接觸於 卜電極之氫之濕度且接觸於第二電極之氫之間之水分之
輸送，故可使水及/或;7欠菜_ I A …、*1由電壓較高側移動至較低側， 藉控制其電塵之施加方向’調整2個氯流路或氯室之氯場 88486.doc -61 . 1235519 度，有效地繼續施行在燃料電池之發電動作。 又，藉水分輪送體接觸於燃料氣體與排 燃料氣體與排出氣體之間之水分輸送，在燃料體施仃在 =排出氣體時:施行由燃料氣體側對排出氣:側 ^夕動’在燃料氣體之濕度低於排出氣體時，施行由排 氧體側對燃料氣體側之水分。 雷、、砂勒口此’即使因在燃料 ^之W成水分，而呈現不適合於發 之濕度狀態時，也可葬會葙渝广—# , 干几心知电 之水… 猎重聽订在排出氣體與燃料氣體間 之水刀輸达’將燃料電池内部之濕度經常維持 <狀心由於燃料電池内部之濕度經常可維持於適正狀 『:故可防止發電部過度乾燥及淹沒於水中等， 良好之發電狀態。 矛 广燃料電池也可包含流通排出氣體之排出流路，排出 =可包含氧’且被供應至燃料電池之氧極側。燃心 二=排出氣體之排出流路時，可藉將空氣作為排出 i觸H 之外送入排出流路等，使排出氣體有效地 ^觸於水分輪送體，容易地將燃料電池内部之濕度維持於 適正狀態。排出氣體包含氧，且被供應至燃料電池之氧極 側時，由於可利用排出氣體使燃料電池施行發電 效地利用排出氣體施行發電。 有 又，使水分輸送體含有全氟續酸系聚合物時，可 分輸送體確實且容易地輸送水分。 7 【圖式簡單說明】 圖1係表示使用本發明之氫氣^控㈣置之燃料^ 88486.doc -62 - 1235519 之第1貫施例之概略構成之說明圖。 =2録示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電池 之弟1實施例之發電單元之裝配狀態之概略構成之說明圖。 ^ 3係表示使用本發明之氫氣濕度控㈣置之燃料電池 之第1實施例之發電單元之配管構成之另—例之說明圖。 圖4係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電池 之第2實施例之概略構成之說明圖。 圖5係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電池 之第3實施例之概略構成之說明圖。 圖6係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電池 之第4實施例之原理說明圖。 圖7係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電池 之原理說明用之說明圖。 圖8係表示圖7所示之實施例之變形例之詳細構成之說明 圖。 圖9係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電池 之第5實施例之原理說明用之說明圖。 圖10A係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之發電單元之發電單元之第丨實施例之概略構成之說明 圖。 圖10B係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之發電單元之發電單元之第2實施例之概略構成之說明 圖。 圖Π A係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 88486.doc -63 - 1235519 池之發電單元之發電單元之第3實施例之概略構成之說明 圖。 圖係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之發電單元之發電單元之第4實施例之概略構成之說明 圖。 圖12係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電池 之發電單元之發電單元之第5實施例之概略構成之說明圖。 圖13A係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之赉電單元之發電單元之第6實施例之概略構成之說明 圖。 圖13B係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之發電單元之發電單元之第7實施例之概略構成之說明 圖。 圖14A係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之發電單元之發電單元之第8實施例之概略構成之說明 圖。 圖14B係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之务弘單το之發電單元之第9實施例之概略構成之說明 圖。 圖15A係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之‘包單元之發電單元之第丨〇實施例之概略構成之說明 圖。 圖1 5B係表不使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之發電早兀之發電單元之第u實施例之概略構成之說明 88486.doc -64 - 1235519 圖。 圖16 A係表不使用纟發明《氯氣濕度控制裝置之燃料電 ^私單元之备電單元之第丨2實施例之概略構成之說明 圖。 圖16B係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之發電單元之發電單元之第13實施例之概略構成之說明 圖。 圖17A係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之氫濕度與氫流路之關係之曲線圖。 圖17B係表示使用本發明之氫氣濕度控制裝置之燃料電 池之氫濕度與氫流路之關係之曲線圖。 圖18係表示使用本發明之濕度控制方法之燃料電池之原 理說明用之說明圖。 、 圖19係表示使用本發明之濕度控制方法之燃料電池之概 略構成之說明圖。 圖20係表示使用圖19所示之本發明之濕度控制方法之燃 料電池之變形例之說明圖。 圖21係表示使用本發明之濕度控制方法之燃料電池之電 壓與時間之關係之輸出特性之曲線圖。 μ 圖22係表示使用本發明之濕度控制方法之燃料電池之電 壓與内電阻之關係之輸出特性之曲線圖。 圖23係表示使用本發明之濕度控制方法之燃料電池之“ 壓與電流之關係之輸出特性之曲線圖。 〜 圖24係表示以往之燃料電池之概略構成之說明圖。 88486.doc -65- 1235519 【圖式代表符號說明 1〜4 發電單元 5 質子傳導體膜電極接合體 6 分離器 6a 氧化劑供應口 7 分離器 8 電極 9 電極 10 符號 10a 符號 10b 符號 10c 符號 lOd 符號 11，12 符號 14 燃料電池 15 發電單元 15A 發電單元 16 發電單元 17 發電單元 18 發電單元 19 發電部 19A 發電部 19B 發電部 19C 發電部 88486.doc -66- 質子傳導體 質子傳導體膜電極接合體 氧化劑電極側分離器 燃料電極侧分離器 集電板電極 集電板電極 氧取入口 分離器 質子傳導體膜電極接合體 電極 電極 回流配管 儲存器 泄水配管 開關閥 氫流路 壓力計 溫度計 壓力計 流里計 止回閥 發電側電路 泵侧電路 可變電源 -67- 氫流量 氫流量 氫流量 氫流量 氫流量 燃料電池 燃料電池 燃料電池 氧化劑電極側分離器 燃料電極側分離器 第三分離器 發電部 質子傳導體 氧化劑側氣體擴散室 燃料電極側氣體擴散室 氫氣室 氧供應口 燃料供應口 氫供應口 密封材料 質子傳導體膜 觸媒層 觸媒層 開口部 -68- 1235519 84 質子傳導體膜 85 第一觸媒 86 第二觸媒 88 燃料電池 89 第四分離器 91 水分輸送體 92 外側開口部 95 燃料電池 100 發電單元 101 發電單元 102 發電單元 103 發電單元 104 發電單元 105〜112 發電單元 120 氳配管 121 氧化劑電極側分離器 122 連通溝 123 分離器 124 分離器 125 分離裔 127 水分輸送體 128, 129 分離器 130 水分輸送體 131 多孔質板 88486.doc -69- 1235519 132 多孔質板 133 電極 134 連通溝 135 電極側分離器 135A 燃料電極侧分離器 135B 燃料電極側分離器 136 氫取入口 137 質子傳導體 137A 質子傳導體 137B 質子傳導體 137C 質子傳導體 138 輸送體 139 質子傳導體膜電極接合體 140 電極 141 電極 142 第三分離器 142A 第三分離器 142B 第三分離器 143 收容凹部 143A 收容凹部 143B 收容凹部 144 止回閥 145 質子傳導體膜 146 多孔質板 88486.doc -70 多孔質板 燃料電池 發電部 水分輸送體 氧化劑電極側分離器 燃料電極側分離器 質子傳導膜 密封構件 氧供應口 氫供應口 水分排出口 觸媒層 觸媒層 氣體擴散層 氣體擴散層 第三分離器 空氣供應口 供應路 符號 符號 空氣供應 第二水分輸送體 供應口 第二氫供應口 -71 -